高光束质量高峰值功率固体激光放大技术研究

近年来,得益于中国政府在产业升级,智能制造领域的大力扶持和政策引导,高光束质量、高峰值功率的红外、绿光甚至紫外激光器成为激光领域的研究热点。基于主振荡功率放大结构的固体激光器以其简单紧凑的结构、良好的稳定性、较高的性价比得到了激光加工尤其是精细加工领域的青睐。本文着眼于激光应用市场,主要对固体激光放大技术进行了研究,以期获取高光束质量、高峰值功率的激光输出。文章主要分为两方面内容:第一方面从制约光束质量的晶体热效应入手,通过仿真计算寻找热管理的有效方法,并基于对称腔和非对称腔的自再现模对影响光束质量的热致球差进行了分析和仿真,提出球差补偿理论;第二方面将球差补偿理论在放大级中进行验证,并基于良好的热管理和球差补偿理论,设计搭建了一套高光束质量、高峰值功率的光纤固体混合放大系统,并对其非线性转换进行了研究分祿。本文以成熟的商用激光增益介质Nd:YVO4和Nd:YAG为主要研究对象,二者都是良好的激光增益介质,但由于热致畸变导致的光束质量恶化成为制约其获取更高功率的重要因素。通过对不同结构谐振腔的研究,发现高斯光束在谐振腔中的光强分布和相位分布会随着传播过程而不断变化,两者共同作用,表现为光束质量的变化。在对称腔结构中,光束质量在传播过程中不发生变化,而在非对称腔中光束质量经历改善到恶化的循环过程。通过将腔内的光束质量演化过程在腔外通过多级放大器循环设计,实现了光束质量的有效管理。文章从仿真、理论和实验上对这一过程进行了研究分析,得出由于晶体热效应引入的正球差为影响光束质量的主要因素。然而高斯光束传播过程中,球差会不断变化。它在经过束腰后球差会由正值变为负值,当绝对值与正球差相近的负球差再经过带有正球差的晶体后,就可以实现球差的补偿从而实现光束质量的改善,这一过程可以通过两级放大级单通实现,也可以通过一级放大级双通来实现。这一理论不仅适用于同一介质主振荡多级放大过程,同样对于不同增益介质也适用。当一束高光束质量的光束经过一级增益介质的双通放大,可以保证光束质量基本不变,从而继续进入下一级双通放大。这有助于充分利用光纤激光器易获得小信号、窄脉宽、重频和谱线可调的输出特点,以及Nd:YVO4晶体在小信号输入时易获得高增益和Nd:YAG晶体在高填充大功率抽取条件易获得高功率输出的优点,将三者充分结合。设计了以锁模光纤激光器作为种子源,两级Nd:YVO4双通放大作为预放,和一级Nd:YAG双通放大作为主放的主振荡功率放大系统(Master Oscillator Power Amplifier,MOPA)。其中,光纤种子源脉宽4.8 ps,输出重频在30 kHz-30 MHz可调,单脉冲能量为～1 nJ,谱线在1064.4 nm中心谱线附近± 0.2 nm可调。对于两级Nd:YV04双通放大,通过合理设计每一个放大级泵浦点的大小和填充因子,保证了高增益的获取,对于单级Nd:YAG双通放大,通过增大泵浦和填充因子,提高抽取效率的同时降低了激光在晶体表面的峰值功率密度,以防高峰值功率损伤晶体。最后在重频30 kHz,中心谱线1064.38 nm条件下得到平均功率为31.8 W的激光输出,单脉冲峰值功率超过100 MW,而光束质量因子为1.26,整个放大系统的增益超过60dB。基于上述主振荡功率放大系统,分别在腔外进行了二倍频和四倍频的实验研究。得益于上述系统的高峰值功率以及高光束质量,获得了 80%的二倍频转换效率和35%的四倍频转换效率,最终得到25.5 W 532 nm激光输出及8.9 W 266 nm激光输出。